1、,医学图像的发展历史一般可追溯到1895年伦琴发现 X 射线。人们很快地将X射线应用于医学成像并获得成功。在这之后的几十年中，X 射线摄影技术有了不小的发展，包括使用影像增强管、旋转阳极 X 射线管及采用运动断层摄影等。但是，由于这种常规的 X 射线成像技术是将人体三维结构投影到一个二维平面上来显示，因此产生了图像重叠，读片困难等问题。此外，投影X射线成像对软组织的分辨能力较差，使得它在临床中的应用也受到一定的限制。,为了获得脏器的清晰图像，人们又设计了一些特殊的 X 射线成像装置。其中的 X射线数字减影装置（digital subtraction angiography，DSA）就是一个例子
2、。DSA在临床中已成功地用于血管网络的功能检查。,如何从根本上克服在投影X射线成像中出现的影像重叠间题，一直是医学界迫切希望解决的问题。这个问题的数学描述应该是：如何根据接收到的投影数据计算出人体内的断层图像（而不是结构重叠的图像）。,X 射线计算机断层摄影（X-ray computedtomography,X-CT）成功地解决了这一问题。实现 X-CT 的理论基础是从投影重建图像的数学原理。,虽然奥地利的数学家Radon早在1917年就证明了从投影重建图像的原理，但他的论文一直未被世人所重视。,当代图像重建理论最杰出的贡献者之一是美国的物理学家Cormacko他不仅证明了在医学领域中从X射线
3、投影数据重建图像的可能性，而且提出了相应的实现方法并完成了仿真与实验研究。,真正设计出一个装置来实现人体断面成像的是在1978年。在那一年的英国放射学年会上，一位名叫Hounsfield的工程师公布了计算机断层摄影的结果。,这项研究成果可以说是在X射线发现后的七八十年中放射医学领域里最重要的突破性进展，它也是20世纪科学技术的重大成就之一。由于Hounsfield与Cormack在放射医学中的划时代贡献，1979年的诺贝尔生理与医学奖破例地授给了这两位没有专门医学资历的科学家,1917年Radon提出了图像重建的数学方法。1971年英国工程师Hounsfield设计成功第一台颅脑CT机 197
4、2年应用于临床 1974年，美国工程师Ledley设计出全身CT机.Hounsfield和美国物理学家Cormark获得了1979年度诺贝尔医学生理学奖。,Hounsfield于2004年8月12日在英国逝世，享年84岁,超声成像设备的发展得益于在第二次世界大战中雷达与声纳技术的发展。50 年代，简单的A型超声诊断仪开始用于临床。70 年代，能提供断面动态图像的B型仪器问世，这是超声诊断设备发展史上的一大进步。80年代初问世的超声彩色血流图（color flow mapping,CFM）是目前临床上使用的高档超声诊断仪。,超声彩色血流图（CFM）的特点是把血流信息叠加到二维B型图像上。由于在一
5、张图像上既能看到脏器的解剖形态，又能看到动态血流，它在心血管疾病的诊断中发挥了很大的作用。超声成像的突出优点是对人体无损、无创、无电离辐射，同时它又能提供人体断面实时的动态图像。从体外经皮检查到腔内探查，乃至血管内的成像，超声检查几乎可涉及全身每一个部位。,放射性核素成像是把某种放射性同位素标记在药物上，然后引入病人体内，当它被人体组织吸收后，人体自身便成了辐射源。放射性同位素在衰变的过程中，将向体外放射射线。,人们可以用核子探测器在体外定量地观察这些放射性同位素在体内的分布情况。从所得的放射性同位素图像中，不仅可以看到器官的形态，更主要的是可以从中了解到人体脏器新陈代谢的情况。这是其他成像系
6、统所不容易做到的。,目前临床上用得比较多的是照相机，它可 用来快速地拍摄体内脏器的图片，并从一系列连 续的图像中了解器官新陈代谢的功能。发射型 CT（emission computed tomography，ECT）是放射性同位素成像系统的进一步发展。ECT 分为：单光子发射型CT（single photon ECT，SPECT）正电子CT（positron emission tomography,PET）两类。,SPECT在临床上已得到较广泛的应用。它是将了照相机的探测器围绕探查部位旋转，并采集相应的投影数据，然后采用与X-CT类似的重建算法计算出放射性同位素分布的断层图像。,PET 系统的
7、数据采集原理与 SPECT 完全不同。它是根据有一类放射性同位素在衰变过程中释放正电子的物理现象来设计的。由于PET系统价格昂贵，目前还只有少数医院开始装备。,1945年美国学者首先发现了磁共振现象，从此产生了核磁共振谱学这门科学。它在广泛的学科领中迅速发展成为对物质的最有效的非破坏性分析方法之一。之后，人们将磁共振技术用于成像。,70年代后期，对人体的磁共振成像获得成功。磁共振成像（magnetic resonance imaging,MRI）的过程是将人体置入强磁场中。这时，如果同时对人体施加一个一定频率的交变射频场，那么被探查的质子就会产生共振，并向外辐射共振信号。于是，在接受线圈中就会
8、有感应电势产生。所接收到的信号经过计算机处理后，就可以得到清晰的人体断面图像。,与X-CT不同的是，在MRI图像中，每个像素的灰度值代表的是从该位置上来的磁共振信号的强度，这个强度与共振核子的密度及两个化学参数 弛豫时间T1与T2有关。磁共振成像的突出优点是对人体无创、无电离辐射，图像分辨率比较高，并且可以对人体组织作出形态与功能两方面的诊断。,近年来，功能磁共振成像（functional MRI，fMRI）技术还被广泛地应用于脑功能成像。,第二节 投影X射线成像,一、X射线成像的物理基础,X射线的产生及其性质：X射线管是产生X射线的主要设备，图是一个旋转阳极X射线管的示意图。,它由阴极、阳极
9、和真空玻璃管等部分组成。阳极由一个带倾斜角的圆盘构成，四周嵌有环状钨面，圆盘后壁与转子轴相连，可以旋转。给阴极的灯丝加一个低电压，灯丝加热后就能发射电子。再给X射线管的阳极与阴极间加上高压，自由电子群就会在电场的作用下高速向阳极端靶面撞击。当高速运动的电子突然受阻时，其中的一部分能量转换成了X射线。,X射线是肉眼看不见的一种电磁波。它的波长较短，一般在（0.01100）范围内。,X射线管产生的射线为一束波长不同的射线。其中：波长小（光子能量大）的叫硬射线，它的穿透力强；波长大（光子能量小）的叫软射线，易被其他物质吸收。,X射线具有下列性质：穿透作用：X射线波长短、能量大、能穿透一 般光线不能穿
10、透的物质；荧光作用：当X射线照射某些物质（如磷、钨酸 钙等）时能产生荧光；电离作用：具有足够能量的X射线光子能击脱物 质原子轨道上的电子而使之产生电离；生物效应：生物细胞在受到X射线的电离辐射后 有可能会造成损伤甚至坏死。这一点 在X射线检查中要特别注意。不过，在另一方面，利用X射线的这个效应，可用放射治疗的方法来破坏肿瘤组织。,二、X射线与人体组织的相互作用,X射线穿过人体时，将出现衰减。假设强度为I0的射线穿过厚度为 z 的探查物后其输出强度为I，则探查物对射线造成的衰减可表示为,式中，被称为线性衰减系数。,在诊断X射线的范围内（能量低于800 keV），射线的衰减主要是由瑞利散射、光电吸
11、收和康普顿散射引起的。正是由于人体组织对X射线不同的衰减系数，使得当X射线穿过人体到达检测器时能使图像上显示出相应的差别。,三、投影X射线成像设备,传统的投影X射线成像方法有两种：透视与摄影。,（一）透视成像系统,目前大量使用的投影X射线成像系统，常用来做透视检查。在透视X射线成像系统中，X射线先通过影像增强管得以增强，其输出的图像由摄像管采集后送入对数放大器。经过模拟数字转换器，将模拟信号转换为数字信号，并送入图像存储器。所采集的数字图像经过各种处理后可以再经过数字模拟转换器送到监视器上显示，也可以用各种存储媒体将它们保存起来。整个系统在计算机的控制下协调工作的。,（二）胶片摄影系统,如果用
12、X射线直接对胶片曝光，其效率是比较低的。在临床中使用屏胶片系统作为投影X射线成像系统的接收器。这种接收器是由涂上感光乳胶的胶片和与胶片紧密接触的一个或两个荧光增强屏组成的。荧光增强屏是涂有荧光材料的薄层（厚度约为100-500m）。X射线的能量由增强屏吸收，并将其能量的一部分（5%80）转变为光线。此光线将使胶片曝光。由于增强屏对光线较敏感，使胶片曝光所需的实际X射线辐射剂量大幅度地降低。,（三）数字X射线摄影,胶片的使用已经有很长的历史，但大量胶片的保持、数据查询等问题一直困扰着人们。随着技术的进步，数字图像的存储和显示技术已日趋完善。以此为基础，开发各种数字化成像系统已成为当今技术发展的主
13、流。数字图像不仅可以实现快速的检索和异地传输，而且还可以对存储的图像做各种各样的后处理，包括计算机辅助诊断等以满足临床应用的要求。在X射线成像方面，有两种数字化成像系统在临床获得应用，它们是计算放射摄影和数字放射摄影。,1.计算放射摄影,计算放射摄影实际上是用一块加入了钡卤化物晶体的荧光屏（通常称为成像板）来取代传统的屏胶片系统。成像板在 X射线的照射下，荧光物质吸收了入射的X 射线并将其能量存储起来，形成“潜影”。之后可用激光束扫描荧光屏，屏上存储的信息由此转换成光信号放射出来。光信号经光电倍增管放大后由A/D转换器转换成数字信号存入计算机。计算机可对存入的图像做进一步的处理，并显示。存储屏
14、上的信号可用强光照射加以擦除，以便下一次使用。这样的系统也被称为计算放射摄影系统。,2.数字放射摄影,数字放射摄影是指一种基于大面积的平板检测器（FPD）的直接数字化X射线成像系统。FPD是由在玻璃基底上生成的薄膜硅晶体管（TFT）阵列组成。每一个检测器像素由一个光电二极管和相连的TFT组成。在阵列的上面由掺铊的碘化铯（CsI）闪烁物、反射层和石墨保护层构成。当入射的X射线照射到CSI 时，CSI 闪烁体产生可见光通过内部光纤传到TFT阵列，并转换成电信号。,电信号经过放大后由A/D转换器转换成数字信号。每一个像素的尺寸的典型值是800m 800m。现有的商品化的平板检测器的尺寸是41cm 41cm，其中的TFT阵列包含8048 8048个像素。,数字X射线摄影系统的主要优点是：,改善了图像显示的质量。这是因为用户在获得 了数字化图像后，很容易对它作各种灰度处理，使它来适应显示器的动态范围。,减少对病人的照射剂量。在数字化成像系统中，在低剂量照射中损失的一部
